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鼓泡塔中气液两相流与浸没在其中的水平管间的传热研究李永成;谷俊杰
【期刊名称】《天津理工学院学报》
【年(卷),期】1993(000)002
【摘要】本研究对鼓泡塔中气液两相流与浸没在其中的水平管间的对流传热系数进行了实验测定。
着重研究了表观气速、液相粘度和液相表面张力对传热系数的影响。
实验证明,鼓泡塔内的传热系数与传热管的方位无关,其传热系数可按文献[1]的关联式进行关联。
【总页数】5页(P52-56)
【作者】李永成;谷俊杰
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TQ053.5
【相关文献】
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毅雄
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基于CFD-DEM方法的加压鼓泡床气固流动特性数值模拟李玥嬛;朱晓丽;王振波;柳毅博
【期刊名称】《排灌机械工程学报》
【年(卷),期】2024(42)6
【摘要】为明确加压鼓泡流化床内气固两相流动基本规律以及压力的影响机制,为多种工业过程领域加压鼓泡流化床反应器的设计、运行和放大提供有益参考.文中基于CFD-DEM方法,以开源软件Mfix为计算框架,开展了加压鼓泡流化床气固两相流动数值模拟研究.首先依托薄矩形加压鼓泡流化床试验台数据进行模型验证,在此基础上,系统地研究了操作压力对Geldart B类颗粒临界流化速度的影响,获得了不同操作压力下床层内颗粒运动与分布规律以及气泡尺寸和频率分布.数值模拟结果表明:在0.1~0.7 MPa,随着操作压力的升高,Geldart B类颗粒临界流化速度减小,并且在低操作压力下临界流化速度随操作压力变化更加明显;同时,随着操作压力的升高,床层内气泡尺寸减小,床层均匀性有所改善.
【总页数】6页(P570-575)
【作者】李玥嬛;朱晓丽;王振波;柳毅博
【作者单位】中国石油大学(华东)石大山能新能源学院
【正文语种】中文
【中图分类】S277.9
【相关文献】
1.鼓泡流化床气固两相流动特性的数值模拟
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气液鼓泡床内流动特性的实验与数值模拟的开题报告
一、选题背景与研究意义
气液鼓泡床是一种新型的气液传质反应器，广泛地应用于化学工程领域。
它具有高传质效率、反应驱动力大、床内浓度分布均匀、操作灵活等优点。
因此，它被广泛应用于石油化工、食品、制药等领域。
然而，气液鼓泡床内部流动特性与反应传质过程的复杂性，往往导致设计过程中存在缺乏准确的理论分析方法，从而导致实际操作中的不稳定和低传质效率等问题。
因此，对气液鼓泡床内部流动特性进行实验研究和数值模拟具有重要的研究意义。
二、研究内容与方法
本研究将采用实验与数值模拟相结合的方法，研究气液鼓泡床内部流动特性。
具体研究内容如下：
1.利用实验方法测量床内流场，分析气液两相分布、液体表面形态以及气泡分布情况等流动特性。
2.采用数值模拟方法，建立气液鼓泡床的三维数值模型，模拟床内流动特性，并对模拟结果与实验结果进行比对。
3.基于实验和数值模拟结果，对气液鼓泡床的内部流动特性进行分析与讨论，探究床内流动特性与反应传质过程的关系。
三、预期成果与意义
通过本研究的实验与数值模拟，可以深入了解气液鼓泡床内部流动特性，并对床内反应传质过程进行分析和评估。
具体预期成果如下：
1. 实验方法与数值模拟方法的综合运用，对实际工业运用具有借鉴意义和指导作用。
2. 可以直观地反映出气液鼓泡床内部流动现象和液面分布等信息，从而为气液鼓泡床的设计和优化提供依据。
3. 对气液鼓泡床的工艺参数进行优化，提高鼓泡床的传质效率，降低生产成本，具有重要的现实应用价值。
安装水平多孔板的鼓泡床反应器CFD-PBM数值模拟
霍莹;付连超;王娟;车连发;李秀明;阚子建;刘翊辉
【期刊名称】《石油学报（石油加工）》
【年(卷),期】2024(40)3
【摘要】采用Euler-Euler双流体模型对安装水平多孔板的鼓泡床反应器内气-液两相流动进行数值模拟研究,探究了不同水平多孔板和表观气速条件对鼓泡床反应器内气含率及气泡直径的影响。
结果表明:当表观气速从0.5 m/s增加到1.0 m/s 时,安装水平多孔板的反应器内整体气含率显著增加;安装多孔板后,气泡在中心区域分布范围加宽;轴向液体速度为0时,没有安装多孔板的反应器向上流动的液相径向无量纲分布范围为0~0.57,而安装了多孔板的径向无量纲分布范围为0~0.64;水平多孔板的安装能增强气泡之间的聚并与破碎,使大气泡在反应器中心区域的分散范围更宽。
【总页数】8页(P727-734)
【作者】霍莹;付连超;王娟;车连发;李秀明;阚子建;刘翊辉
【作者单位】中海油天津化工研究设计院有限公司;中国石油大学重质油国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TQ052.4
【相关文献】
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第33卷第1期化学反应工程与工艺V ol 33, No 1 2017年2月 Chemical Reaction Engineering and Technology Feb. 2017 文章编号：1001—7631 ( 2017 ) 01—0073—09 DOI: 10.11730/j.issn.1001-7631.2017.01.0073.09气液两相流摆动特性实验的数值模拟马 霞，李国栋，范翠香，高 扬西安理工大学，陕西西安 710048摘要：为了给鼓泡塔反应器设计提供依据，运用计算流体力学（CFD）软件模拟了鼓泡塔气液两相流动态行为。
采用双欧拉法对鼓泡塔矩形反应器内不同曝气量下气液两相流的摆动特性进行了模拟考察，液相采用标准κ-ε紊流模型，气相采用分散相零方程模型，分析了网格尺寸、时间步长以及相间作用力对模拟结果的影响，模拟的曝气量为42.5～237 mL/s。
结果表明，当相间作用力仅考虑阻力时，气液两相流呈现周期性摆动规律；随着气流量的增加，气泡羽流的摆动幅度和频率增大，同时液体的气含率也在增加；模拟的气液两相流摆动频率数据与实验值吻合较好，两者的相对误差为7.2%～12.9%。
关键词：鼓泡塔气液两相流摆动特性双欧拉κ-ε模型中图分类号：O359 文献标识码：A鼓泡塔是一种气液两相流反应器，气体从塔底部喷入，形成分散的气泡群，气泡群在液体中上升，同时带动液体向上运动，气泡羽流两侧会产生向下的液体流动，流动现象复杂多变，已有大量关于此类流动问题的文献发表[1-5]，其中矩形反应器内气泡群流动一直是实验和数值模拟研究的热点，但是由于流动特性与反应器结构及操作方式有很大的关系，此类反应器的设计和放大仍然是一个问题。
与传统的实验方法相比，数值模拟具有耗费小、可重复等优点，能够预测实验难以测量的局部流场细节。
目前气液两相流模拟主要有欧拉-拉格朗日法[6-8]和欧拉-欧拉法[9-14]（双欧拉法）两种方法，欧拉-欧拉法的计算不受气含率的限制，计算资源相对低[14]。
鼓泡床反应器流动特性的CFD 研究进展摘要:从计算模型和影响因素2个方面系统综述了鼓泡床反应器内气液两相流CFD的研究进展。
介绍了与模型建立相关的多相流模型、湍流模型、相间作用力和气泡尺寸模型的选择和适用情况。
总结了表观气速、液相性质、反应器尺寸、分布器和内构件等对反应器流动特性的影响。
最后指出了目前存在的不足，并对其发展进行了展望。
关键词:鼓泡床反应器;气液两相流;计算流体力学Research advances in CFD simulation of gas-liquid two-phase flowin bubble column reactorAbstract:The research advances in CFD simulation of gas-liquid two-phase flow in bubble column reactor isreviewed．The multiphase models，turbulence models，interfacial forces and bubble size models are analyzed．The effectsof superficial velocity，liquid phase properties，column dimensions，gas sparger and internals are summarized．The currentproblems in this field are pointed out．The development directions in the future are proposed as well．Key words:bubble column reactor;gas-liquid two-phase flow;CFD1.引言计算流体动力学（CFD）软件是近年来发展起来的流体动力学模拟软件。
因其物理模型丰富，数值计算方法先进，前后处理功能强大，常用于外部流场和内部的化学反应、燃烧、传热传质的数值模拟。
鼓泡床反应器由于其结构简单、易操作和良好的传递特性而被广泛应用于石油化工、生物化工及冶金等领域，其典型过程包括重油加氢、费托合成和生物发酵等。
计算流体力学(CFD)是流体力学的重要分支，相比实验研究花费少，节省人力物力。
近年来，由于计算机技术的飞速发展和计算方法的改进，CFD越来越多地被应用于研究鼓泡床反应器内部复杂的流动情况和流场分布。
本文中综述了鼓泡床反应器内两相流CFD模型和流动特性影响因素的研究进展，指出了目前该领域存在的不足，并对未来的发展方向进行了预测。
2与建模相关的问题鼓泡床反应器是一类典型的气液两相流动反应器，由于气相的搅动，反应器内呈现湍流状态，气液相间存在复杂的相互作用;当表观气速较小时，反应器内气泡尺寸单一，随着表观气速的增加，气泡的聚并和破碎作用增强，气泡大小形成一定的分布。
为了使建立的模型能更加准确地预测鼓泡床反应器内的流体力学特性，在建模过程中，需要选择合适的多相流模型、湍流模型、相间作用力模型和气泡尺寸。
2.1多相流模型目前有2种数值计算的方法处理多相流:欧拉－拉格朗日方法和欧拉－欧拉方法。
在欧拉－拉格朗日方法中，液相被视为连续相，采用欧拉观点直接求解时均纳维－斯托克斯方程，而气泡的运动采用朗格朗日观点的离散相模型计算得到。
此方法的优点是容易处理气泡之间的相互作用，而且能追踪气泡的整个运动过程;但由于计算量巨大，一般计算机容量难以满足要求，在多相流计算中主要应用于气含率较低的系统。
Delnoij等采用欧拉－拉格朗日方法研究了不同高径比对鼓泡床反应器内流型及流场的影响，得到气泡在反应器内的瞬时分布。
Buwa等用欧拉－拉格朗日方法研究了不同表观气速、高径比下流场和气泡浓度分布，并与实验和欧拉－欧拉方法的结果进行比较，发现3种方法所得时均气含率和轴向液速的差距较小。
在欧拉－欧拉方法中，气液两相均被处理成连续介质，采用欧拉观点针对每一相分别求解时均纳维－斯托克斯方程，此方法建立的模型即通常所说的多相流模型或两相流模型。
目前较通用的多相流模型包括流体体积模型(VOF)、混合物模型(Mixture)和欧拉模型(Euler)。
VOF模型是一种用来计算2种或多种不相容流体界面位置轨迹的方法，它假定各相之间没有互相穿插，通过求解单一的动量方程和处理穿过区域的每一流体的体积分率来模拟不能混合的流体，此模型通常用来研究单个气泡特性。
Krishna等选用VOF模型研究了单个气泡动力学和气泡之间的相互作用，为鼓泡床反应器放大奠定基础。
Ma等将VOF模型与连续表面力模型结合，研究了单个气泡的形成和动力学，并系统分析了物性、操作条件、喷嘴直径等对气泡产生、上升、轴向聚并的影响。
混合物模型与VOF模型一样，使用单流体方法，但混合物模型允许相之间互相穿插，并提出了滑移速度的概念。
它通过混合的动量、连续性方程、第二相的体积分率方程以及滑移速度方程进行求解，滑移速度的使用使模型预测更加准确，且计算量增加不大。
Chen等将混合物模型用于鼓泡床二维轴对称模拟，得到的轴向液速和气含率分布与实验结果非常接近。
simcik等运用此模型研究了带导流筒的鼓泡床反应器(环流反应器)内流体力学，结果表明，气含率和平均液速与实验结果相符。
欧拉模型是最复杂的多相流模型，针对每一相建立动量方程和连续性方程来求解。
在模型中不同相之间的动量交换依赖于各相的类别，通过用户自定义函数可以定义动量交换的计算方式。
在鼓泡床气液两相流CFD研究中，选择欧拉模型是最普遍的，Laborde－Boutet等选用欧拉模型研究了湍流模型对流场、气含率等模拟结果的影响;Sattar等在欧拉模型基础上耦合气泡群体平衡模型研究了不同直径气泡的分布和平均气泡直径。
2.2湍流模型经过雷诺转换后得到的时均纳维－斯托克斯方程增加了多个雷诺应力项，为了使方程封闭，基于湍流理论和实验数据对雷诺应力提出了各种假设，此即湍流模型，它是CFD能够准确预测复杂流场的关键点之一。
在鼓泡床气液两相流CFD模拟中，两方程k－ξ模型由于模型简单、计算量小且能得出与实验相近的结果等优点，应用最广泛。
为了适应对不同流动特性的模拟，在标准k－ξ模型的基础上又相继改进得到了RNG k －ξ模型和Realizable k－ξ模型。
关于这3种模型哪种更能精确预测鼓泡床反应器内流动特性，尚没有定论，需针对具体流动场合选择。
一般认为标准k－ξ模型能得到比较精确的流场平均值;而RNG k－ξ模型能有效预测反应器局部特性，如液速、气含率径向分布等;Realizable k－ξ模型主要用于预测强旋流、圆管射流等情况，较少用于鼓泡床模拟。
当前大部分模拟都选用标准k－ξ模型，所得结果与实验结果接近。
Xu等选用RNG k－ξ模型研究了鼓泡床内剧烈湍流;Laborde－Boutet等将这3种k－ξ模型应用于剧烈湍流鼓泡床的模拟，通过与实验比较得出，RNG k－ξ模型能更好地预测出反应器内的流场，因为该模型计算得到的湍流分散率最大并能模拟多尺度的湍流。
2.3 相间作用力相间作用力是CFD能够准确预测复杂流场的另一关键点。
在气液两相流中，相间作用力一般包括曳力、升力、虚拟质量力和湍流分散力等。
由于曳力比其他作用力都大很多，不少研究者在模拟时只考虑曳力的作用，而忽略其他相间作用力。
近年来，为了提高模拟的精确性，越来越多的研究者考虑了多个相间作用力。
曳力由于其在相间作用力中所占的主导作用而被研究得最多，Zhang等研究发现随着曳力的增大，气相速度减小，气含率也就随之增大。
在模拟中有多种曳力模型可供选择，常用曳力模型有Schiller－Naumann模型、Ishii－Zuber模型和Tomiyama模型等。
对于球形小气泡选择Schiller－Naumann模型较为合适，对于大气泡和其他形状的气泡，选择Ishii－Zuber模型较为合适。
3 鼓泡床流动特性影响因素的研究进展由于实际工况等的不同，鼓泡床反应器的流动特性受到表观气速、液相性质、塔尺寸、分布器和内构件等的影响，大量研究者以CFD软件为工具，对这些影响因素进行了系统的研究。
3.1表观气速的影响大量实验表明，鼓泡塔反应器内气液两相流随着表观气速和塔径的不同呈现不同的流型，如均匀鼓泡流、非均匀剧烈湍动流和柱塞流等。
很多研究者尝试用CFD进行模拟和预测不同流型。
van Baten等根据实验所得关联式计算出流型跃迁速度，当表观气速小于跃迁速度时(即均匀鼓泡区)采用单一气泡尺寸模型;当表观气速大于跃迁速度时(即非均匀剧烈湍动区)采用双气泡模型。
结果表明，在2种流型下，气含率和塔中心液速都随表观气速增大而增大，但2种流型下趋势不一样，在剧烈湍动区增长趋势较缓慢，这与实验结果非常吻合。
Xing等研究表明，在均匀鼓泡区小气泡体积分率随着表观气速增大而线性增大;而在剧烈湍动区，整体气含率依然随表观气速增大而增大，但小气泡体积分率几乎保持不变。
3.2反应器尺寸的影响鼓泡床反应器结构比较简单，对尺寸的研究主要针对高径比和直径等参数。
Delnoij等研究了高径比从1.0逐渐变化到11.4时矩形鼓泡床反应器内流型的变化情况，结果表明，当高径比为1.0时反应器内形成2个环流区，在中心位置液体向上流动，在四周向下流动;当高径比＞2时反应器内出现涡旋结构;当高径比＞7.7时反应器内出现上下2个流动区域，在下部区域流动不稳定，存在明显的气泡束，在上部区域气泡分散在整个截面而且没有涡旋。
对反应器尺寸研究的用途之一是为反应器放大和工业应用奠定基础。
van Baten等采用CFD的方法对鼓泡床反应器进行放大研究，依次模拟了塔径为0.10、0.15、0.38 m的反应器，结果显示，反应器内循环液速随塔径增大而显著增大。
3.3分布器及内构件的影响分布器对于低高径比的鼓泡床反应器内流动特性有显著的影响，而不同分布器型式影响各异，常用的分布器型式有筛板式、环形、臂式、径向和喷嘴等。
Kulkarni等对单环分布器、多环分布器和臂式分布器进行了系统的研究，研究内容包括孔径(2～6 mm)、环直径(0.4～1.0 m)、孔数(19～90)、环数(1～4)、臂数(3～5)、臂长(0.4～1.0 m)等，对比了压力、孔速和临界漏液速度等参数，所得结果与实验结果一致。
Laborde－Boutet等分3步研究了带列管鼓泡床反应器内的流动、传热耦合现象:第一步考察单相流动传热，结果表明，采用“固定管壁温度”边界条件所得结果与实验数据相符;第二步研究了气液两相流动，确定了湍流模型、曳力模型和气泡尺寸模型;第三步将上一步得到的动力学模型与传热耦合计算，并采用第一步验证的边界条件假设，得到了与实验一致的传热系数。
